Стресс помогает справиться с вредными мутациями

Одна из мутаций, изучавшихся в обсуждаемой работе, нарушает работу гена lin-31, участвующего в регуляции развития половой системы. Слева: мутация проявилась в фенотипе, вызвав образование псевдо-вульв (отмечены звездочками). Справа: у другого червя с точно таким же геномом мутация не проявилась. Стрелочкой обозначена вульва. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Эксперименты на червях C. elegans показали, что эффекты многих вредных мутаций отрицательно коррелируют с силой реакции организма на перегрев. У особей, энергично реагирующих на тепловой стресс, многие вредные мутации не проявляются в фенотипе. Это объясняется тем, что белки-шапероны, вырабатывающиеся при перегреве, помогают другим белкам восстановить «правильную» трехмерную конфигурацию независимо от того, чем она была нарушена — перегревом или мутацией. Кроме того, особи с сильной реакцией на стресс живут в среднем дольше. Казалось бы, отбор должен был закрепить устойчиво высокий уровень реакции на стресс, однако этот уровень сильно варьирует даже у генетически идентичных червей. Как выяснилось, это связано с тем, что особи с сильной реакцией на стресс «платят» за свои преимущества пониженной плодовитостью. Поэтому в переменчивых и непредсказуемых условиях, характерных для природных местообитаний C. elegans, оптимальной стратегией оказалось сохранение стохастической изменчивости по данному признаку.

Многие мутации проявляются в фенотипе не у всех, а только у некоторых особей, имеющих эту мутацию в своем геноме. Данное явление называют «неполной пенетрантностью» (см.: Дестабилизация развития — путь к эволюционным новшествам, «Элементы», 13.07.2009). Если различия в фенотипическом проявлении мутации наблюдаются у генетически различающихся особей, это может быть объяснено межгенными взаимодействиями, то есть модифицирующим влиянием других генов на фенотипический эффект изучаемой мутации (см. epistasis). Однако неполная пенетрантность иногда наблюдается и в изогенных линиях, то есть в популяциях генетически идентичных особей (даже если они развиваются в одинаковых условиях!), а это объяснить уже сложнее. Приходится принимать в расчет такие малоизученные явления, как случайные колебания активности генов (см.: Избыточность регуляторных сетей делает развитие помехоустойчивым. «Элементы», 22.02.2010) и тесно связанную с ними стохастику индивидуального развития (см.: Процессы самоорганизации в онтогенезе многоклеточных: опыт имитационного моделирования).

Неполную пенетрантность вредных мутаций можно интерпретировать как проявление одного из базовых свойств живых систем — помехоустойчивости. Два основных типа «помех», с которыми постоянно приходится сталкиваться живым организмам, — это вредные мутации и непредсказуемые изменения среды. Неустойчивые организмы отсеиваются отбором, поэтому в ходе эволюции живые существа неизбежно вырабатывают специальные адаптации для повышения помехоустойчивости. К числу таких адаптаций относятся, например, генно-регуляторные контуры с отрицательной обратной связью. При этом часто получается так, что адаптация, развившаяся для повышения устойчивости к одному типу помех, одновременно повышает устойчивость и к другим их типам. Типичный пример — белки-шапероны, помогающие другим белкам принять правильную трехмерную конфигурацию. Эта конфигурация может быть нарушена как из-за перепадов температуры, так и из-за мутаций, поэтому шапероны повышают устойчивость одновременно к обоим видам помех (подробнее см. в заметках: Белок Hsp90 контролирует активность мобильных генетических элементов, «Элементы», 19.01.2010;  Когда вредных мутаций много, они не так вредны, «Элементы», 06.12.2005).

Из этого вытекает интересное следствие. Не исключено, что активация систем, предназначенных для противодействия неблагоприятным внешним условиям, может попутно уменьшать негативные эффекты вредных мутаций. Иными словами, реакция организма на средовой стресс может сглаживать проявления наследственных дефектов. Это предположение выглядит правдоподобным, что, впрочем, никоим образом не отменяет необходимость его экспериментальной проверки, а главное — детализации и выявления конкретных механизмов.

Именно с этой целью испанские биологи провели серию экспериментов на классическом лабораторном объекте — круглом черве Caenorhabditis elegans. Первый эксперимент был поставлен, чтобы проверить, приводит ли активация генерализованного ответа на стресс к сглаживанию фенотипических эффектов вредных мутаций (то есть к снижению их пенетрантности). Для этого были использованы генетически модифицированные черви (линия +HSF-1) с повышенной продукцией «фактора теплового шока 1» (heat shock factor 1, HSF-1). Этот белок является регулятором высокого уровня: он активирует целый ряд генов, участвующих в ответе на средовой стресс, в том числе гены шаперонов. Модифицированные черви постоянно находятся в состоянии «повышенной боевой готовности» и отличаются от обычных червей высокой устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям.

Исследователи скрестили червей +HSF-1 с носителями одиннадцати различных вредных мутаций и сравнили уровень пенетрантности этих мутаций у особей с обычным и искусственно повышенным уровнем HSF-1. Оказалось, что гиперактивность системы ответа на средовой стресс достоверно снижает пенетрантность восьми из одиннадцати мутаций. Процент особей, у которых эти мутации проявились в фенотипе, оказался понижен у червей +HSF-1 по сравнению с контролем на 18–88%.

Пенетрантность одиннадцати вредных мутаций у червей с повышенной активностью системы ответа на средовой стресс (+HSF-1, белые столбики) по сравнению с контролем — обычными червями (mutation alone, серые столбики). По вертикальной оси — пенетрантность (процент особей, у которых вредная мутация проявилась в фенотипе). A — пять мутаций, проявляющихся на ранних стадиях развития, B — шесть мутаций, проявляющихся на поздних стадиях развития. График С показывает, что для четырех «поздних» мутаций тепловой шок, перенесенный на личиночной стадии L1 (белые столбики), снижает пенетрантность примерно так же, как генетически обусловленная повышенная продукция HSF-1. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Более того, оказалось, что эффекты мутаций, пенетрантность которых снизилась у червей +HSF-1, зависят также и от температуры. Если подвергнуть молодую личинку обычного (не модифицированного) червя тепловому шоку (нагреванию до 35°C на два часа), пенетрантность поздно проявляющихся мутаций снижается примерно так же, как у червей +HSF-1 (график C на рисунке выше). Если же пенетратность мутации не зависит от уровня HSF-1, то и тепловой шок на нее не влияет. Скорее всего, те три мутации, которые оказались нечувствительны к уровню HSF-1, просто «не лечатся» шаперонами (например, они могут быть связаны не с нарушением структуры какого-нибудь белка, а с полным его отсутствием).

Таким образом, эксперимент показал, что реакция на стресс, вызванная путем генетических модификаций или средового воздействия (теплового шока), действительно снижает пенетрантность вредных мутаций. Проявится или нет мутация в фенотипе, зависит, во-первых, от генетики (например, от генетически обусловленного базового уровня HSF-1), во-вторых, от жизненной истории особи, в том числе от стрессов, перенесенных в детстве. Главное тут — соблюсти меру: слишком сильный стресс может повредить систему «забуферивания» мутаций при помощи шаперонов и тем самым усугубить фенотипические эффекты этих мутаций (см.: Queitsch et al., 2002. Hsp90 as a capacitor of phenotypic variation), однако умеренный стресс, перенесенный в определенном возрасте, напротив, может их сгладить.

Выше говорилось, что неполная пенетрантность наблюдается и в изогенных популяциях, даже если условия, в которых развиваются особи, примерно одинаковы. В ходе дальнейших экспериментов авторы, работая с изогенными линиями C. elegans, попытались выяснить, чем вызывается эта странная вариабельность у животных с одинаковыми генами и «жизненным опытом». Черви C. elegans способны к самооплодотворению (см.: Чтобы превратить самок в гермафродитов, достаточно двух мутаций, «Элементы», 16.11.2009), поэтому вывести изогенную линию этих червей нетрудно. Более того, такие линии, по всей видимости, нередко возникают и в природе.

Ранее было показано, что в изогенных линиях C. elegans наблюдается «случайная» (то есть не связанная ни с генетическими, ни со средовыми факторами) вариабельность по уровню экспрессии некоторых генов — участников реакции на стресс, причем от этого уровня зависит, во-первых, устойчивость червей к перегреву, во-вторых — продолжительность их жизни: особи с высоким уровнем шаперонов живут дольше. Речь идет, напомним, о генетически идентичных особях (см.: Rea et al., 2005. A stress-sensitive reporter predicts longevity in isogenic populations of Caenorhabditis elegans). Поэтому авторы вполне логично предположили, что случайные различия в уровне экспрессии шаперонов и других компонентов реакции на стресс могут влиять также и на фенотипический эффект вредных мутаций.

Для проверки этого предположения генетически идентичных червей с той или иной поздно проявляющейся вредной мутацией подвергали кратковременному перегреву на стадии личинки. Затем их делили на две группы в зависимости от силы реакции на стресс, которую определяли по уровню экспрессии участника этой реакции — гена hsp-16.2. Оказалось, что у червей с сильной реакцией на стресс вредные мутации проявляются в фенотипе реже, чем у особей, слабо реагирующих на перегрев. Сама же сила реакции на стресс, в свою очередь, зависит от случайных различий в уровне экспрессии генов теплового шока, которые наблюдаются у генетически идентичных личинок еще до того, как их подвергнут перегреву. У кого эти гены изначально работают активнее — тот и выдает более сильную реакцию на перегрев.

Таким образом, пенетрантность вредных мутаций зависит не только от уровня реакции на стресс, обусловленного генетикой (как у червей +HSF-1) или средой, но и от случайных колебаний этого уровня, не зависящих ни от генов, ни от среды. У генетически идентичных червей имеется случайная изменчивость по силе реакции на стресс, причем те особи, которые реагируют на стресс активнее, получают сразу три важных преимущества. Во-первых, они легче переносят перегрев, во-вторых — дольше живут, в-третьих — они лучше защищены от вредных мутаций. Первые два преимущества были известны ранее, третье — впервые описано в обсуждаемой работе.

Возникает естественный вопрос: если сильная реакция на стресс столь полезна, почему этот признак остается таким «разболтанным», почему он варьирует даже у генетически идентичных особей? Казалось бы, отбор давно должен был закрепить в генофонде C. elegans какие-нибудь мутации, обеспечивающие стабильно высокий уровень активности «стрессовых» генов.

Авторы предположили, что раз этого не произошло, значит, тут есть какой-то подвох. Вероятно, высокая активность этих генов не дается даром и, кроме пользы, приносит также и вред. Дальнейшие эксперименты подтвердили это предположение. Оказалось, что черви с более интенсивной реакцией на тепловой шок отличаются пониженной плодовитостью. За долгую жизнь и устойчивость к перегреву и вредным мутациям червям приходится платить низкой эффективностью размножения.

Черви C. elegans в природе живут в гниющих растительных остатках и питаются бактериями. Условия в местах их обитания переменчивы и непредсказуемы. Пока условия остаются благоприятными, особи с пониженным уровнем экспрессии «стрессовых» генов оказываются в выигрыше благодаря высокой скорости размножения. При ухудшении условий преимущество оказывается на стороне более жизнестойких индивидов с высоким уровнем шаперонов. Наилучшая стратегия в такой обстановке, по-видимому, состоит в том, чтобы «не класть все яйца в одну корзину». Черви минимизируют риск вымирания, позволяя данному признаку широко варьировать даже у генетически идентичных особей (а природные микропопуляции C. elegans часто имеют низкое генетическое разнообразие из-за малого числа основателей и самооплодотворения). Как бы ни сложились обстоятельства, какая-то часть генетически однообразной, но фенотипически вариабельной популяции с большой вероятностью выживет и будет успешно размножаться.

Данное исследование интересно тем, что обращает внимание на почти не изученную разновидность изменчивости, которую биологи обычно полностью игнорируют в своих теоретических построениях: на случайную изменчивость, определяемую не генами и не средой, а неизбежными стохастическими флуктуациями на молекулярном уровне, в том числе на уровне экспрессии генов. Не исключено, что роль такой изменчивости в жизни и эволюции организмов важнее, чем принято считать.

Кратковременный перегрев сглаживает наследственные дефекты у круглых червей. Справедливо ли это для человека, пока не ясно. Фото с сайта www.raznocvetnoe.ru

Молекулярные механизмы реакции на тепловой шок сходны у большинства животных. Значительная вариабельность по силе реакции на стресс характерна для многих организмов. Поэтому можно предположить, что некоторые виды стрессовых воздействий способны сглаживать эффекты вредных мутаций не только у C. elegans, но и других животных. Авторы допускают, что некоторые из полученных выводов могут быть приложимы и к наследственным болезням человека.

Источник: M. Olivia Casanueva, Alejandro Burga, and Ben Lehner. Fitness Trade-Offs and Environmentally Induced Mutation Buffering in Isogenic C. elegans // Science. 2012. V. 335. P. 82–85.

О неполной пенетрантности и помехоустойчивости см. также:
1) Процессы самоорганизации в онтогенезе многоклеточных: опыт имитационного моделирования, «Элементы», популярный синопсис («Журнал общей биологии», том 72, 2011, №5).
2) Дестабилизация развития — путь к эволюционным новшествам, «Элементы», 13.07.2009.
3) Избыточность регуляторных сетей делает развитие помехоустойчивым, «Элементы», 22.02.2010.
4) Белок Hsp90 контролирует активность мобильных генетических элементов, «Элементы», 19.01.2010.
5) Когда вредных мутаций много, они не так вредны, «Элементы», 06.12.2005.

Александр Марков